用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关及其制备方法，所述开关包括硅基衬底、硅基衬底上的SiO2绝缘层、金属铜层和肖特基结桥区层；本发明与现有技术相比其显著优点：（1）开关尺寸小，制作成本低，利用MEMS（微机电系统）技术易于与爆炸箔起爆系统集成，实现爆炸箔起爆系统的微型化；（2）含肖特基结的开关触发电压低，能够抗杂散电流，具有一定的安全性，并且通过控制肖特基结的数量达到激发能量可控；（3）本开关为一次作用器件，满足爆炸箔起爆系统一次作用的特点，和传统的真空触发开关相比，提高了开关的使用率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率脉冲开关，具体涉及一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关及其制备方法。

背景技术

爆炸箔起爆器（Exploding Foil Initiator），由于其不含敏感含能单元，具有抗电磁干扰能力强，耐冲击等优点，是一种极其安全可靠的雷管，适用于直列式爆炸序列，在钝感弹药中有着广阔的应用前景。

随着弹药向小型化，智能化的方向发展，对与冲击片雷管配套的起爆系统提出了更高的要求。举例来说，一般的高压开关有三个电极，两个主电极之间有耐受1KV—3KV高压的要求，由空气绝缘或将开关置于密封真空的环境中，通过开关的闭合使触发极作用破坏主电极之间的绝缘，使能量从储能装置中经过主电极释放给EFI。通常这种类型的开关需要满足以下要求：（1）在高压电容器作用下，导通时间应小于100ns；（2）主电极之间能耐受1～3KV的高压；（3）峰值电流为1～3KA，峰值功率为1～15MW。

目前广泛应用于EFIs的高压开关主要有火花隙开关和金属氧化物半导体控晶闸管（MCT）开关。火花隙开关通常是用陶瓷做的，有三个小型的电极触发火花隙，或者充气或者内真空，对其密封的可靠性要求很高，同时需要昂贵的高压触发电路。虽然能够满足使EFI作用的要求，但是存在着成本高，体积大等缺点，不适用于爆炸箔起爆系统小型化。MCT开关具有体积小的优势，但存在漏电流相对于较大，开关的响应速度相对较慢，只适用在温度小于100℃、电压低于1500V和弱辐射环境中等问题。

为此，各国研究者相继开展研究，设计制作出更加适用于微型化EFIs的高压开关。在专利US4840122中，Eldon Nerheim提出一种以多晶硅为触发极桥区的等离子平面开关，但该开关的触发极发火电压较高。（Transactions on Power Electronics 2009(24): 253-259）中，Baginski提出了一种单触发开关的结构，该开关为立体层状结构，由金属层和聚合物绝缘层构成，结构和制作工艺都比较复杂，并且以上两种结构都不能实现触发极发火电压可调。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关及其制备方法。

 

实现本发明目的的技术解决方案为

    一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关，所述开关包括硅基衬底、金属铜层和肖特基结桥区层；所述的硅基衬底表面设置凹槽，所述凹槽为被与硅基衬底整体结构一体的隔线划分为三个，其中中间的凹槽为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；两边的凹槽为对称结构且沿硅基衬底中线对称；在硅基底上有一层防止漏电流的SiO₂绝缘层在凹槽内放置有与凹槽相互匹配的金属铜层，所述金属铜层分为四块，分别放置在两边凹槽和中间凹槽的桥基处；所述的肖特基结桥区层放置在凹槽的桥区处。

    其中，所述的肖特基结桥区层由桥区Al层（和桥区CuO层组成，所述桥区Al层为若干中间有空隙的条状结构，所述桥区CuO层由顶面为平面结构，底面为与桥区Al层的条状结构相互配合的若干中间有空隙的条状结构组成。

    所述的肖特基结桥区层还可以由桥区Al层和桥区ZnO或桥区MoO组成。

    一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关的制备方法，所述的平面爆炸开关按以下步骤来制备：

第一步，对硅基衬底进行表面清洗，利用干法刻蚀法在硅基衬底表面刻蚀凹槽，然后在其表面上利用热氧化法生成一层SiO₂绝缘层；所述凹槽为被划分为三个，其中中间的凹槽为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；两边的凹槽为对称结构且沿硅基衬底中线对称；

第二步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在两边凹槽和中间凹槽的桥基处沉积金属铜层；

第三步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在中间凹槽的桥区处沉积桥区Al层，所述桥区Al层为若干中间有空隙的条状结构，桥区Al层与桥基处的金属铜层相连；

第四步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在桥区Al层的空隙处沉积桥区CuO层；

第五步，覆有肖特基结开关的基片经划片、焊丝、封装后，制备得到用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关。

    所述桥区Al层、桥区CuO层中Al/CuO的量按完全发生化学反应的摩尔比2:3配比。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：（1）开关尺寸小，制作成本低，利用MEMS（微机电系统）技术易于与爆炸箔起爆系统集成，实现爆炸箔起爆系统的微型化；（2）含肖特基结的开关触发电压低，能够抗杂散电流，具有一定的安全性，并且通过控制肖特基结的数量达到激发能量可控；（3）本开关为一次作用器件，满足爆炸箔起爆系统一次作用的特点，和传统的真空触发开关相比，提高了开关的使用率。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1 本发明开关的三维爆炸结构图（1-硅基衬底；2-金属铜层；3-桥区Al层；4-桥区CuO层）。

图2 本发明开关的立体示意图。

图3 本发明开关的俯视图（5-触发极；6-主电极）。

图4 本发明肖特基结桥区层。

图5 本发明开关的制作工艺流程图。

图6本发明开关的肖特基结及其等效电路示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。

 

实施例1

    一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关，所述开关包括硅基衬底1、金属铜层2和肖特基结桥区层7；所述的硅基衬底1表面向内凹陷形成凹槽，所述凹槽被与硅基衬底1整体结构一体的隔线划分为三个，其中中间的凹槽为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；两边的凹槽为对称结构且沿硅基衬底中线对称；在硅基底上有一层防止漏电流的SiO₂绝缘层；在凹槽内放置有与凹槽相互匹配的金属铜层2，所述金属铜层分为四块，分别放置在两边凹槽和中间凹槽的桥基处；所述的肖特基结桥区层7放置在凹槽的桥区处。

所述的肖特基结桥区层7由桥区Al层3和桥区CuO层组成，所述桥区Al层3为若干中间有空隙的条状结构，所述桥区CuO层4由顶面为平面结构，底面为与桥区Al层3的条状结构相互配合的若干中间有空隙的条状结构组成。

    所述的肖特基结桥区层（7）由桥区Al层和桥区ZnO或桥区MoO组成。

一种用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关的制备方法，所述开关的制作工艺采用干法刻蚀、磁控溅射、光刻剥离等微细加工技术完成，其制作过程如图5所示：

第一步，对硅基衬底进行表面清洗，利用干法刻蚀法在硅基衬底表面刻蚀8μm深凹槽，然后在其表面上利用热氧化法生成一层2μm SiO₂绝缘层，SiO₂可以减少漏电流的产生以及对开关的主电极起绝缘作用。然后分别用丙酮和去离子水对基片超声清洗30min，在空气中吹干后放入200℃烘箱烘烤备用，所述凹槽为被划分为三个，其中中间的凹槽为两端宽中间窄的桥形结构，宽的区域为桥基，窄的区域为桥区；两边的凹槽为对称结构且沿硅基衬底中线对称，如图1中1所示。

第二步，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在两边凹槽和中间凹槽的桥基处沉积金属铜层，具体操作如下：用正性反转光刻胶（AZ5200）在刻好图形槽的基片上涂覆后烘干，加底层金属铜薄膜电极的掩膜后进行初次曝光和反转曝光，显影后出现倒台型轮廓；用磁控溅射在显影后的基片上镀上底层金属铜薄膜电极，完成后把基片放入丙酮溶液超声清洗30sec去除残胶，再用去离子水清洗，烘干后即得到完整底层金属铜薄膜电极，如图1中2所示。

第三步，重复第二步操作过程，使用Al层掩模板，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在中间凹槽的桥区处沉积桥区Al层，所述桥区Al层为若干中间有空隙的条状结构，桥区Al层与桥基处的金属铜层相连，如图1中3所示。

第四步，重复第二步操作过程，使用CuO层掩模板，利用光刻剥离工艺和磁控溅射技术在桥区Al层的空隙处沉积桥区CuO层，如图1中4所示。

第五步，覆有肖特基结开关的基片经划片、焊丝、封装后，制备得到用于爆炸箔起爆器的肖特基结平面爆炸开关，如图2所示。整个工艺均采用标准的微细加工工艺制作，可以减小开关尺寸，降低生产成本，并且易于与爆炸箔起爆系统集成，实现爆炸箔起爆系统的微型化。

如图3所示，正常状态下，开关两侧主电极6连接1KV以上高压电容器而不作用，当给触发极5通一定的电流使触发极桥区作用，桥区发生爆炸产生大量的等离子体，促使电容器放电，两主电极导通，该导通过程持续时间短，导通电流高，通常几百个纳秒内峰值电流能够达到1.5KA；该开关适用于爆炸箔起爆器的控制，能够使其实现集成化生产，并且可以应用于有类似要求的器件中。

如图6所示，触发极桥区由Al/CuO薄膜组成，Al膜和CuO膜在接触界面形成了面接触肖特基结，可以认为桥区两端始终加载的是反向偏压，只有当外界电压超过Al/CuO复合薄膜的反向击穿电压时，Al/CuO复合薄膜才能有大电流通过，因此，肖特基结构的Al/CuO复合薄膜材料在电爆过程中存在发火能量阈值，当电激励能量低于发火能量阈值时，只有微弱的漏电流通过，产生的焦耳热会被基片吸收或被薄膜表面散失，复合薄膜输出能量较小；当复合薄膜实现电击穿即激发能量高于发火阈值时，有大电流通过薄膜产生焦耳热，同时激发Al膜和CuO膜之间的氧化还原反应，释放出化学反应热，实现输出能量倍增。通常，肖特基结的触发电压小于100V，降低了开关的触发电压。并且通过控制触发极桥区的面积和Al/CuO复合薄膜形成肖特基结的数量，可以调整激发能量，从而设计出具有抗杂散电流和电磁干扰能力的平面爆炸开关，提高开关的安全可靠性。其中，CuO薄膜材料可以由其它具有半导体性质的金属氧化物ZnO、MoO等替代。

利用干法刻蚀工艺在硅基片上掏槽，作为开关的载体，可以保证开关的结构的稳定性，使其耐冲击过载环境。介质层的SiO₂的介电常数约为4. 0，具有低损耗和低耗电的电性能，有很好的绝缘性，保持并提高了主电极的耐击穿电压，这种结构提高了开关的整体稳定性。